Ионизация в идеальном газе и плазмозоле

 

Согласно определению идеальный газ – это система, состоящая из точечных молекулярных частиц, взаимодействующих только при столкновении, т.е. при их сближении на расстояния, сравнимые с их собственными размерами, которые пренебрежимо малы по сравнению с межчастичными расстояниями.

Если молекулы газа ионизовать, то в газовой фазе появляются заряды – электроны и ионы, которые взаимодействуют между собой кулоновскими силами. Эти силы дальнодействующие [4], и каждый атомарный заряд (электрон, ион) в данном случае подвергается действию всех других зарядов в системе. Однако, если его электростатическое взаимодействие с полем, создаваемым в месте локализации этого заряда всеми другими зарядами системы, мало по сравнению со средней кинетической энергией его поступательного движения (κТ), свойства ионизованного газа приближаются к свойствам идеального, а поправки на неидеальность также оказываются малыми [1, с.264].

Моделирование равновесных электрофизических свойств газа направлено прежде всего на получение зависимостей концентрации заряженных частиц от определяющих параметров системы – температуры Т, исходных концентраций компонентов n_j (j нумеруют сорт молекул и атомов, потенциалы ионизации компонентов I_aj).

Действительно, с точки зрения практического использования, электронная и ионная концентрации в газе – наиболее интересные величины, так как ими определяются процессы переноса заряда. Газ содержит электроны, ионы, нейтральные молекулы и атомы. Характерной особенностью такого ионизованного газа является его квазинейтральность, т.е. вследствие электростатических взаимодействий в достаточно малых областях, занятых газом, наблюдается компенсация положительных и отрицательных зарядов (суммарный заряд такой области с точностью до флуктуации равен нулю).

Квазинейтральность – основное свойство плазменных сред и частично ионизованный газ в состоянии равновесия также обладает этим свойством. Согласно принципу детального равновесия, каждый канал ионизации (процесс, приводящий к появлению свободных электронов в объеме) скомпенсирован противоположным ему процессом рекомбинации так, что средние концентрации атомарных зарядов сохраняются. Таким образом, в газовой плазме непрерывно идут конкурирующие процессы: ионизация – рекомбинация, причем генерация и исчезновение электронов вследствие этих процессов скомпенсированы, а движение молекулярных зарядов происходит так, что в плазме наблюдается квазинейтральность. Обратимая реакция ионизации нейтрального атома:                                  

                       ,                                            (1.1.1)

где А – нейтральный атом; М – произвольная частица (молекула, электрон, фотон, другой атом и т.д.), А⁺ - положительный ион, е^- - электрон.

Аналогичным образом можно записать все прочие реакции, сопровождающиеся генерацией и исчезновением заряженных частиц в плазме. Для реакции (1.1.1) условие равновесия принимает вид

 

                             ,                                                     (1.1.2)

 

где μ_а, μ_i, μ_e-химические потенциалы соответственно атома, иона и электрона, μ_m входят справа и слева в равенство (1.1.2) и могут быть сокращены.

Пренебрегая взаимодействием между компонентами газовой плазмы, химический потенциал компонента α определим по формуле для идеального газа [1]:

 

            ,                                                 (1.1.3)

 

где S_α – статистическая сумма;

 

;                                            (1.1.4)

 

- число частиц сорта α в объеме плазмы V.

В (1.1.4) суммирование распространено на все состояния n частиц сорта α; q_αn – статистический вес, а множитель exp(-E_αn/kT) определяет относительную вероятность состояния частицы с энергией E_αn (величина E_αn должна отсчитываться от общего уровня энергии группы частиц, участвующих в рассматриваемой реакции).`

Подставляя (1.1.3) в (1.1.2), получаем условие равновесия

 

 

или

 

 .                                                    (1.1.5)

 

Уточним (1.1.4) для статистических сумм S (для простоты индекс α опускаем). Входящая в (1.1.4) полная энергия Е частиц слагается из энергии внутренних степеней свободы _j и энергии поступательного движения К. следовательно, (1.1.4) можно записать следующим образом:

 

, (1.1.6)

 

где означает суммирование по внутренним состояниям, а - по скоростям.

Выделив энергию основного состояния частицы ε₀, представим первую из сумм (1.1.6) в виде

 

, (1.1.7)

 

где Q – “внутренняя” статистическая сумма.

Поскольку энергия ε₀ отсчитывается от общего уровня системы, то, очевидно, разность энергии системы электрон – ион до и после ионизации равна энергии ионизации атома, т.е.

 

                        .                                              (1.1.8)

 

Именно эта разность энергий (потенциал ионизации атома) входит в выражение для отношения статистических сумм (1.1.5).

Внутренние статистические суммы атомов и ионов можно определить следующим образом [5, с.102]:

 

         ,                                       (1.1.9)

 

где квантовые числа l и s определяют орбитальный момент количества движения и спин. При kT<Δε₁ (что обычно выполнено для низкотемпературной плазмы(НТП)) члены суммы (1.1.9) очень быстро уменьшаются. При расчетах для атомов в этой сумме можно ограничится двумя членами, для ионов – одним. Электроны внутренней структуры не имеют, поэтому их внутренний статистический вес Q=2, он соответствует двум направлениям спина.

Статистическую сумму, связанную с поступательными степенями свободы, определим, основываясь на квазиклассическом приближении квантовой механики [6, с.198]. Размер шестимерной ячейки, соответствующей одному состоянию, находим из соотношения неопределенности

 

        .                                     (1.1.10)

 

Найдем число состояний, приходившихся на весь фазовый объем системы, отвечающий интервалу скоростей ,во всем объеме плазмы V:

     

   .                                          (1.1.11)

 

Подставляя (1.1.11) в выражение для статистической суммы , получаем

 

                                (1.1.12)

 

Заменяя суммирование по скоростям интегрированием, находим

 

                                                         (1.1.13)

 

Используя полученное выражение для частиц всех сортов, участвующих в реакции (1.1.1), и учитывая (1.1.8), преобразуем (1.1.5) к виду

 

                                                (1.1.14)

 

Эта формула, определяющая константу ионизационного равновесия, называется формулой Саха. По аналогии с предыдущим можно получить цепочку уравнений Саха для последовательности степеней ионизации атома, т.е. для реакций

 

                        ,

 

где К – кратность ионизации. При этом в формулах Саха

 

                                   (1.1.14^’ )

будут фигурировать потенциалы ионизации I_k, которые равны энергии ионизации иона с зарядом Кe. Поскольку значения I_k для К>1 быстро возрастают, в области температур 1000…3000 К, характерной для низкотемпературной плазмы, будет в основном наблюдаться однократная ионизация атомов. Закон сохранения числа частиц и заряда α определенного сорта совместно с цепочкой уравнений Саха (1.1.14^') представляет замкнутую систему уравнений, описывающую ионизационное равновесие в газовой плазме.

В качестве примера рассмотрим ионизацию атомов калия в аргоне. При неизменной температуре Т плазмы повышение исходного содержания атомов калия n_A приведет к увеличению равновесной плотности электронов в плазме. Поскольку , в пренебрежении более высокими степенями ионизации атомов калия запишем систему ионизационных уравнений:

 

                 (1.1.15)(1.1.15’)(1.1.15’’)

 

где (1.1.15) – уравнение Саха для однократной ионизации; (1.1.15’) – закон сохранения числа частиц (исходное содержание присадки калия в результате реакций ионизации не меняется); (1.1.15’’) – закон сохранение заряда (концентрация электронов в системе определяется числом ионизованных атомов калия).

Вводя обозначение

 

                                               (1.1.16)

 

и используя (1.1.15’) и (1.1.15’’), преобразуем (1.1.15) к виду

 

                                     .                    (1.1.17)

 

Последнее уравнение имеет очевидное решение

 

                       ,                                        (1.1.18)

 

которое и определяет однократную ионизацию атомов калия в плазме по Саха.

На рис.1. показаны расчетные зависимости концентрации электронов в НТП, образованной атомами аргона и калия для температур плазмы Т= 1000, 2000, 3000 К, от исходного содержания атомарного калия n_A.

Источниками электронов в высокотемпературном электронейтральном газе могут быть и частицы КДФ с малой работой выхода электронов W. В этом случае появляется специфическая плазменная среда – плазмозоль [7], т.е. система нейтральный молекулярный газ с высоким потенциалом ионизации + свободные электроны, эмиттированные частицами КДФ + заряженные макрочастицы, обменивающиеся электронами с газовой фазой. Отличительные черты такой системы: возможность приобретения частицами КДФ больших (макроскопических)

 

 

 

	Рис.1. Ионизация атомов калия в аргоне (концентрационная зависимость)

 

зарядов, наличие у макрочастиц собственного объема, сравнимого с размерами микронеоднородностей в системе, фактически всегда наблюдаемая полидисперсность КДФ.

В связи с широким применением гетерогенных плазменных сред в ряде современных областей энергетики(МГД–генераторы на твердом топливе, управление процессом горения [8]) и технологии (высокотемпературные гетерогенные процессы [9], плазменное напыление [10] и др.), описание термоионизации в НТП с КДФ вызывают в настоящее время значительный интерес [11]. Возможность воздействия на ионизацию среды посредством частиц КДФ была доказана в экспериментах по измерению концентрации электронов в плазме углеводородных пламен [12,13].